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1、精品文档，仅供学习与交流，如有侵权请联系网站删除【精品文档】第 5 页扩频通信系统的MATLAB仿真 摘 要扩频通信，即扩展频谱通信 ( Spread Spectrum Communication)，它与光纤通信、 卫星通信，一同被誉为进入信息时代的三大高技术通信传输方式。本文详细阐述了扩展频谱通信的理论基础和实现方法，并通过Matlab对直扩通信系统进行了仿真，并对各基本模块进行设计和仿真。此外，在给定仿真条件下，运行了仿真程序，得到了预期的仿真结果。同时，利用建立的仿真系统，通过对比一般通信系统和基本扩频通信系统的仿真，研究了扩频通信系统抑制信道干扰和码间干扰的性能，结果表明，扩频通信系统
2、确实能很好的提高通信系统的可靠性。关键词： 直扩通信；Matlab；Simulink；仿真Spread spectrum communication system simulation with MATLABAbstract. Spread spectrum communication, namely the spread spectrum communication (Spread Spectrum Communication), optical fiber communication and satellite communication is together known as the
3、three high-tech communication transmission mode in the information age. This paper expounds the theoretical foundation and realization method of the spread spectrum communication. By the Matlab simulation platform, spread spectrum communication system is simulated, and each basic is designed and sim
4、ulated as well. In addition, in a given simulation conditions, running the simulation program obtained the expected simulation results. At the same time, using the simulation system, by comparing the general communication system and the basic spread spectrum communication system simulation, studied
5、the spread spectrum communication system to suppress channel interference and inter-symbol interference performance. The results showed that the spread spectrum communication system does good to improve the reliability of communication system.Key words: DSSS communication; Matlab ; Simulink ;Simulat
6、ion目 录摘 要IAbstractII前 言11 绪论21.1 选题的背景21.2 选题的主要任务32 扩频通信系统42.1 扩频通信的定义42.2 扩频通信的理论基础52.3 扩频通信系统的工作原理72.4 扩频通信的主要特点82.5 扩频通信的主要性能指标102.5.1 处理增益102.5.2 抗干扰容限113 直接序列扩频通信的性能分析123.1 直接序列扩频通信系统概述123.2 直接序列扩频通信系统的数学模型133.3 多径干扰143.3.1 多径干扰的概念143.3.2直扩系统的抗干扰性153.3.3直扩系统的抗截获性163.3.4直扩码分多址通信系统173.3.5 直扩系统的抗
7、多径能力173.4 直接序列扩频通信系统的伪随机码的选择183.4.1 扩频码简介193.4.2 m序列194 直接序列扩频通信系统的仿真基础254.1 Matlab语言与仿真环境介绍254.1.1 Matlab仿真环境简述254.1.2 Matlab语言介绍264.2 基于matlab通信仿真的基本步骤274.3 Simulink建模仿真的一般过程274.3.1 Simulink建模仿真的基本步骤274.3.2 Simulink中功能模块的连接及设置285 直接序列扩频通信系统的仿真325.1 Simulink的仿真325.1.1 扩频与解扩的Simulink仿真325.1.2 BPSK调制
8、的Simulink仿真345.1.3 编码信道的Simulink仿真365.2 Matlab源程序设计38总 结48致 谢49参考文献50前 言在当今信息时代，如何有效的利用宝贵的频带，如何进行准确可靠的信息通信是通信领域中至关重要的问题，扩频通信正是在这种背景下迅速发展起来的。直接序列是扩频通信的一种实现方式，在抗干扰和保密方面，是扩频通信中很好的通信方式。具体的实现方式是将待传送的信息数据经伪随机编码(扩频序列: Spread Sequence)调制，实现频谱扩展后再传输；接收端则采用相同的编码进行解调及相关处理，恢复原始信息数据。本次毕业设计中，是用Matlab实现直接序列扩频通信系统的
9、仿真。Matlab是一种功能强大的软件，在统计、信号处理、人工智能以及通信领域得到了广泛的应用。这篇论文共分五章：第一章是绪论部分，主要介绍选择该课题的背景及任务。第二章主要介绍了扩频通信的基本定义、理论和主要性能指标。第三章重点介绍直接序列扩频通信系统的性能分析，包括直接序列扩频通信的模型、多径干扰和伪随机码的选择。第四章着重介绍直接序列扩频通信系统的仿真基础，主要包括Matlab语言与仿真环境介绍，基于Matlab通信仿真的基本步骤，Simulink建模仿真的一般过程。第五章是对本课题的一系列相关的仿真，主要包括Simulink基本模块的仿真和扩频通信系统的仿真。1 绪论1.1 选题的背景
10、人类社会进入到了信息社会，通信现代化是人类社会进入信息时代的重要标志。而在现代通信中遇到的一个重要问题就是抗干扰问题。随着通信事业的迅速发展，各类通信网的建立，使得有限的频率资源更加拥挤，相互之间的干扰更为严重，如何防止和降低这种相互之间的干扰，就成为一大难题。扩展频谱（SS ，Spread Spectrum，简称扩频）技术具有很强的抗干扰性，其多址能力、保密、抗多径等功能倍受人们的关注，被广泛的应用于军事通信和民用通信中。扩频通信系统扩展频谱技术，将信号扩展到很宽的频带上，在接收端对扩频信号进行相关处理即带宽压缩，恢复成窄带信号。对干扰信号而言，由于与扩频信号不相关，则被扩展到一个很宽的频带
11、上，使之进入信号通频带内的干扰功率大大的降低，相应增加了相关器输出端的信号/干扰比，对大多数认为的干扰而言，扩频通信系统都具有很强的对抗能力。扩频技术是二战期间开发的，最初的用途是为军事通信提供安全保障, 是美军重要的无线保密通信技术。这种技术使敌人很难探测到信号。即便探测到信号，如果不知道正确的编码，也不可能将噪声信号重新汇编成原始的信号。有关扩频通信技术的观点是在1941年由好莱坞女演员Hedy Lamarr 和钢琴家George Antheil提出的。基于对鱼雷控制的安全无线通信的思路，他们申请了美国专利#2.292.387。不幸的是，当时该技术并没有引起美国军方的重视，直到十九世纪八十
12、年代才引起关注，将它用于敌对环境中的无线通信系统。真正实用的扩频通信系统是在50年代中期发展起来的。麻省理工学院林肯实验室开发的扩频通信系统F9C-A/Rake系统被公认为第一个成功的扩频通信系统，在该系统的研制过程中，首次提出了瑞克(RAKE)接收的概念并成功应用，该系统也是第一个真正实用的宽带通信系统。第一个跳频扩频通信系统BLADES也在这段时期研制成功，在该系统中第一次利用移位寄存序列实现纠错编码。在此期间，喷气实验室（JPL）在其空间任务中完成了伪码产生器的设计以及跟踪环路的设计。 自从扩频通信的概念在50年代开始成熟以后，此后的二十多年扩频通信技术仍得到很大的发展，但都只是局部的发
13、展，如硬件的改进和应用领域的拓展。一直到80年代初期，扩频通信的概念都只是在军事通信系统中得到应用，这种状况到了80年代中期才得到改变。美国联邦通信委员会（FCC）于1985年5月发布了一份关于将扩频技术应用到民用通信的报告。从此，扩频通信技术获得了更加广阔的应用空间。90年代初，在第一代模拟蜂窝通信系统的基础上，出现了PCS研究的热潮。扩频技术为共享频谱提供了可能。使用扩频技术能够实现码分多址，即在多用户通信系统中所有用户共享同一频段，但是通过给每个用户分配不同的扩频码实现多址通信。利用扩频码的自相关特性能够实现对给定用户信号的正确接收；将其他用户的信号看作干扰，利用扩频码的互相关特性，能够
14、有效抑制用户之间的干扰。随着PCS（Personal Communications Service）以及蜂窝移动通信的发展，CDMA（Code Division Multiple Access）技术已经成为不可或缺的关键技术。扩频通信技术也在民用通信中找到更为广阔的应用空间，而关于CDMA技术的研究热潮也一直延续到现在。扩频技术由于其本身具备的优良性能而得到广泛应用，到目前为止，其最主要的两个应用领域仍是军事抗干扰通信和移动通信系统，而跳频系统与直接扩频系统则分别是在这两个领域应用最多的扩频方式。直接扩频码分多址，由于具备通信容量大、能充分利用话音的统计特性、平滑的越区切换、通信容量的软特性等
15、优点被作为未来移动通信中最具竞争力、最有前景的无线多址接入技术。无线扩频通信作为另一种有效的补充通信手段,已在金融系统得到了越来越广泛的应用。发展到现在，扩频技术理论和技术都已趋于完善，主要应从系统的角度考虑总体性能，且与其它新技术结合应用。因此，应用的驱动一直是扩频技术发展的强大动力，未来的无线通信系统，如移动通信、无线局域网、全球个人通信等，扩频技术必将发挥重要作用。随着科技的发展，扩频技术必将获得更加广阔的应用空间。在这里，本课题主要就直接序列扩频通信系统做以详细的介绍。1.2 选题的主要任务利用Matlab工具箱中的Simulink通信仿真模块和Matlab函数对直接序列扩频通信系统进
16、行分析和仿真，使其更加形象和具体。对比在存在码间干扰（在数字通信系统中一般都存在）和信道干扰的情况（且没有信道编码）下，扩频通信系统的发送信号和接收信号的波形是否完全一致。证明扩频通信系统在抑制噪声等干扰方面具有突出优势。2 扩频通信系统2.1 扩频通信的定义所谓扩频通信，简单的可以这样表述：扩频通信技术是一种信息传输方式。其信号所占有的频带宽度远大于所传输的信息所必需的最小带宽。频带的展宽通过编码和调制的方法来实现，与所传输的信息数据无关，在接收端用相同的扩频码进行相关解扩及恢复所传的信息数据。从这个定义中我们可以看到它包含了以下三个方面的含义：首先，信号的频谱被扩展宽了。在信息传输中，我们
17、知道任何信息都需一定的带宽，称为信息带宽。为了充分利用频率资源，通常尽量采用大体相当的带宽的信号来传送信息。在无线电通信中，射频信号的带宽与所传送信息的带宽是相比拟的，如我们熟悉的调幅信号传送的语声信号，其带宽为语声信号带宽的两倍。这是窄带通信。而扩频通信信号带宽与信息带宽之比（我们成为处理增益）可以达到100甚至1000倍，这就是我们说的宽带通信。其次，采用扩频码序列调制方式展宽信号频谱。我们知道，在时间上有限的信号，其频谱是无限的。例如很窄的脉冲信号，其频谱则很宽。信号的频带宽度与其持续的时间近似成反比。因此，如果很窄的脉冲序列被所传送信息调制，则可产生很宽的频带信号。如直接序列扩频通信系
18、统就是采用这种方法获得扩频信号。这种很窄的脉冲码序列，其码速率是很高的，称为扩频码序列。这里需要说明的是所采用的扩频码序列与所传送的信息数据是无关的，也就是说它与一般的正弦载波信号一样，丝毫不影响信息传输的透明性。扩频码序列仅仅起扩展信号频谱的作用。第三，在接收端用相关解调来解扩。正如在一般的窄带通信中，已调信号在接收端都要进行解调来恢复所传信息。在扩频通信中接收端则用与发送端相同的扩频码序列与收到的扩频信号进行相关解调，恢复所传送的信息。这种在发端把窄带信息扩展成宽带信号，而在接收端又将其解扩成窄带信息的处理过程，能带来一系列好处。弄清楚扩频和解扩频处理过程的机制，是理解扩频通信本质的关键。
19、2.2 扩频通信的理论基础通信理论和通信技术的研究，是围绕着通信系统的有效性和可靠性这两个基本问题展开的，所以有效性和可靠性是设计和评价一个通信系统的主要性能指标。通信系统的有效性，是指通信系统传输信息效率的高低。这个问题是讨论怎样以最合理、最经济的方法传输最大数量的信息。在模拟通信系统中，多路复用技术可提高系统的有效性。显然，信道复用程度越高，系统传输信息的有效性就越好。在数字通信系统中，由于传输的是数字信号，因此传输的有效性是用传输速率来衡量的。通信系统的可靠性，是指通信系统可靠地传输信息。由于信息在传输过程中受到干扰，收到的信息与发出的信息并不完全相同。可靠性就是用来衡量收到信息与发出信
20、息的符合程度。因此，可靠性决定于系统抵抗干扰的性能，也就是说，通信系统的可靠性决定于通信系统的抗干扰性能。在模拟通信系统中，传输的可靠性是用整个系统的输出信噪比来衡量的。在数字通信系统中，传输的可靠性是用信息传输的差错率来描述的。本课题是通过观察输入输出波形，定性的说明系统的可靠性的。扩展频谱通信(Spread Spectrum Communication)简称扩频通信。扩频通信的基本特征是使用比发送的信息数据速率高许多倍的伪随机码把载有信息数据的基带信号的频谱进行扩展，形成宽带的低功率谱密度的信号来发射。香农(Shannon)在信息论的研究中得出了信道容量的公式： (2-1)式中：C信道容量
21、，b/s；B信道带宽，Hz；S信号功率，W；N噪声功率，W。 香农公式表明了一个信道无差错地传输信息的能力同存在于信道中的信噪比以及用于传输信息的信道带宽之间的关系。令C是希望具有的信道容量，即要求的信息速率，对(2-1)式进行变换 (2-2)对于干扰环境中的典型情况，当时，用幂级数展开(2-1)式，并略去高次项得 (2-3)或 (2-4)由式(2-1)和(2-2)可看出，对于任意给定的噪声信号功率比，只要增加用于传输信息的带宽B，就可以增加在信道中无差错地传输信息的速率C。或者说在信道中当传输系统的信号噪声功率比下降时，可以用增加系统传输带宽B的办法来保持信道容量C不变。或者说对于任意给定的
22、信号噪声功率比，可以用增大系统的传输带宽来获得较低的信息差错率。扩频通信系统正是利用这一原理，用高速率的扩频码来扩展待传输信息信号带宽的手段，来达到提高系统抗干扰能力的目的。扩频通信系统的带宽比常规通信系统的带宽大几百倍乃至几万倍，所以在相同信息传输速率和相同信号功率的条件下，具有较强的抗干扰的能力。香农在其文章中指出，在高斯噪声的干扰情况下，在受限平均功率的信道上，实现有效和可靠通信的最佳信号是具有白噪声统计特性的信号。这是因为高斯白噪声信号具有理想的自相关特性，其功率谱密度函数为 - f (2-5)对应的自相关函数为 (2-6)其中：t为时延，定义为 (2-7)白噪声的自相关函数具有函数的
23、特点，说明它具有尖锐的自相关特性。但是对于白噪声信号的产生、加工和复制，迄今为止仍存在着许多技术问题和困难。然而人们已经找到了一些易于产生又便于加工和控制的伪噪声码序列，它们的统计特性近似于或逼近于高斯白噪声的统计特性。伪噪声序列的理论在本书以后的章节中要专门讲述，这里仅简略引用其统计特性，借以说明扩频通信系统的实质。通常伪噪声序列是一周期序列。假设某种伪噪声序列的周期(长度)为N，且码元都是二元域上的元素。一个周期（或称长度）为N，码元为的伪噪声二元序列的归一化自相关函是一周期为N的周期函数，可以表示为 (2-8)其中为伪噪声二元序列一个周期内的表示式 (2-9)式中，1，2，3，N。当伪噪
24、声序列周期(长度)N取足够长或N时，式(2-8)可简化为 (2-10)比较式(2-5)和式(2-9)，看出它们比较接近，当序列周期(长度)足够长时，式(2-9)就逼近式(2-5)。式(2-10)是自相关函数归一化的形式，乘周期N后就是一般表达式，在一般表达式中）。所以伪噪声序列具有和白噪声相类似的统计特性，也就是说它很接近于高斯信道要求的最佳信号形式。因此用伪噪声码扩展待传输信息信号频谱的扩频通信系统，优于常规通信系统。2.3 扩频通信系统的工作原理 由于数字通信同模拟通信相比具有很大优势，所以这里仅以数字扩频通信系统为例来做以阐述。数字扩频通信系统的一般工作原理如图2.1所示。 图2.1 数
25、字扩频通信系统基本框图图2.1所示为一个数字扩频通信系统的基本框图。其中信道编码器、信道解码器、调制器和解调器是传统数字通信系统的基本构成单元。在扩频通信系统中除去了这些单元外，应该用了相同的伪随机序列发生器，分别作用在发送前端的调制器与接收前端的解调器。这两个序列发生器产生伪随机噪声（PN）二值序列，在调制端将传送信号在频域进行扩展，在解调端解扩该扩频发送信号。信息数据D经过常规的数据调制，变成了带宽为B1的基带(窄带)信号，再用扩频编码发生器产生的伪随机编码(PN码：Pseudo Noise Code)，对基带信号作扩频调制，形成带宽B2(B2远大于B1)、功率谱密度极低的扩频信号，这相当
26、于把窄带B1的信号以PN码所规定的规律分散到宽带B2上，再发射出去。接收端用与发射时相同的伪随机编码做扩频解调，把宽带信号恢复成常规的基带信号，即依PN码的规律从宽带中提取与发射对应的成份积分起来，形成普通的基带信号，然后，可再用常规的通信处理解调出发送来的信息数据D。2.4 扩频通信的主要特点由于扩频通信能大大扩展信号的频谱，发送端用扩频码序列进行扩频调制，以及在接收端用相关解调技术，使其具有许多窄带通信难以替代的优良性能，能在民用后，迅速推广到各种公用和专用通信网络之中，主要有以下几项特点：（1）易于重复使用频率，提高了无线频谱利用率无线频谱十分宝贵，虽然从长波到微波都得到了开发利用，仍然
27、满足不了社会的需求。在窄带通信中，主要依靠波道划分来防止信道之间发生干扰。为此，世界各国都设立了频率管理机构，用户只能使用申请获准的频率。扩频通信发送功率极低，采用了相关接收技术，且可工作在信道噪声和热噪声背景中，易于在同一地区重复使用同一频率，也可与各种窄道通信共享同一频率资源。所以，在美国及世界绝大多数国家，扩频通信无须申请频率，任何个人与单位都可以无执照使用。（2）抗干扰性强，误码率低扩频通信在空间传输时所占用的带宽相对较宽，而接收端又采用相关检测的办法来解扩，使有用宽带信息信号恢复成窄带信号，而把非所需信号扩展成宽带信号，然后通过窄带滤波技术提取有用的信号。这样，对于各种干扰信号，因其
28、在接收端的非相关性，解扩后窄带信号中只有很微弱的成分，信噪比很高，因此抗干扰性强。当处理增益Gp 35dB时，抗干扰容限Mj 22dB，即在负信噪声比（ 22dB）条件下，可以将信号从噪声中提取出来。在商用的通信系统中，扩频通信是唯一能够工作在负信噪比条件下的通信方式。（3）隐蔽性好，对各种窄带通信系统的干扰很小由于扩频信号在相对较宽的频带上被扩展了，单位频带内的功率很小，信号湮没在噪声里，一般不容易被发现，而想进一步检测信号的参数如伪随机编码序列就更加困难，因此说其隐蔽性好。再者，由于扩频信号具有很低的功率谱密度，它对使用的各种窄带通信系统的干扰很小。（4）可以实现码分多址扩频通信提高了抗干
29、扰性能，但付出了占用频带宽的代价。如果让许多用户共用这一宽频带，则可大大提高频带的利用率。由于在扩频通信中存在扩频码序列的扩频调制，充分利用各种不同码型的扩频码序列之间优良的自相关特性和互相关特性，在接收端利用相关检测技术进行解扩，则在分配给不同用户码型的情况下可以区分不同用户的信号，提取出有用信号。这样一来，在一宽频带上许多对用户可以同时通话而互不干扰。（5）抗多径干扰在无线通信的各个频段，长期以来，多径干扰始终是一个难以解决的问题。在以往的窄带通信中，采用以下两种方法来提高抗多径干扰的能力：一是把最强的有用信号分离出来，排除其他路径的干扰信号，即采用分集接收技术；二是设法把不同路径来的不同
30、延迟、不同相位的信号在接收端从时域上对齐相加，合并成较强的有用信号，即采用梳状滤波器的方法。这两种技术在扩频通信中都易于实现。利用扩频码的自相关特性，在接收端从多径信号中提取和分离出最强的有用信号，或把多个路径来的同一码序列的波形相加合成，这相当于梳状滤波器的作用。另外，在采用频率跳变扩频调制方式的扩频系统中，由于用多个频率的信号传送同一个信息，实际上起到了频率分集的作用。（6）能精确地定时和测距电磁波在空间的传播速度是固定不变的光速，人们自然会想到如果能够精确测量电磁波在两个物体之间的传播时间，也就等于测量两个物体之间的距离。在扩频通信中如果扩展频谱很宽，则意味着所采用的扩频码速率很高，每个
31、码片占用的时间就很短。当发射出去的扩频信号在被测量物体反射回来后，在接收端解调出扩频码序列，然后比较收发两个码序列相位之差，就可以精确测出扩频信号往返的时间差，从而算出两者之间的距离。测量的精度决定于码片的宽度，也就是扩展频谱的宽度。码片越窄，扩展的频谱越宽，精度越高。（7）适合数字话音和数据传输，以及开展多种通信业务扩频通信一般都采用数字通信、码分多址技术，适用于计算机网络，适合于数据和图像传输。（8）安装简便，易于维护扩频通信设备是高度集成，采用了现代电子科技的尖端技术，因此，十分可靠、小巧，大量运用后成本低，安装便捷，易于推广应用。2.5 扩频通信的主要性能指标处理增益和抗干扰容限是扩频
32、通信系统的两个重要性能指标。2.5.1 处理增益 处理增益G也称扩频增益( Spreading Gain)它定义为频谱扩展前的信息带宽DF与频带扩展后的信号带宽 W之比: (2-11)在扩频通信系统中，接收机作扩频解调后，只提取伪随机编码相关处理后的带宽为 DF的信息而排除掉宽频带 W中的外部干扰、噪音和其地用户的通信影响。因此，处理增益 G反映了扩频通信系统信噪比改善的程度。2.5.2 抗干扰容限抗干扰容限是指扩频通信系统能在多大干扰环境下正常工作的能力，定义为: (2-12) 其中:Mj 抗干扰容, G 处理增益, (S /N ) out 信息数据被正确解调而要求的最小输出信噪比，Ls 接
33、收系统的工作损耗。3 直接序列扩频通信的性能分析扩频通信与一般的通信系统相比，主要是在发射端增加了扩频调制，而在接收端增加了扩频解调的过程，扩频通信按其工作方式不同主要分为直接序列扩频系统、跳频扩频系统、跳时扩频系统、线性调频系统和混合调频系统。现以直接序列扩频系统为例对扩频通信系统的主要性能进行分析。3.1 直接序列扩频通信系统概述直接序列调制扩展频谱通信系统（direct sequence spread spectrum communication system,DS-SS）,简称直接序列系统或直扩系统，是用待传输的信息信号与高速率的伪噪声（伪随机）码波形相乘后，去直接控制载波信号的某个参
34、量，来扩展传输信号的带宽。用于频谱扩展的伪随机序列称为扩频码序列。直接序列系统的简化方框图如下图3.1：(a) 发射系统(b) 接收系统图3.1 直接序列系统原理方框图在发信机端，待传输的数据信号与伪随机码（扩频码）波形相乘，形成的复合码对载波进行调制，然后由天线发射出去。在接收端，要产生一个与发信机中的伪随机码同步的本地参考伪随机码，对接收信号进行相关处理，这一相关处理过程通常称为解扩。解扩后的信号送到解调器解调，恢复出传送的信息。3.2 直接序列扩频通信系统的数学模型在直接序列系统中，通常对载波进行相移键控（PSK）。下面来讨论直接序列系统的数学模型。假设系统的调制方式为PSK，则其模型如
35、下数据源编码器m序列发生器发射机射频振荡器an d(t) c(t) cos(2pf0t+j0) 中频滤波器VCOm序列发生器射频滤波器R(t) r(t) v(t) 至数据检测器Cr(t-Td) fd 2cos2p (f0+fd)t+ (a) 发射系统模型 (b) 接收系统模型图3.2 扩频通信系统的数学模型频谱扩展后的复合信号对载波（为载波频率）进行调制（直接序列扩频一般采用PSK调制），然后通过发射机和天线送入信道中传输。发射机输出的扩频信号用表示，其示意图如图3.3(d)所示。扩频信号的带宽取决于伪噪声码的码速率。在PSK调制的情况下，射频信号的带宽等于伪噪声码速率的2倍，即，而几乎与数字
36、信号的码速率无关。以上对待传输信号的处理过程就是对信号的频谱进行扩展的过程。经过上述过程的处理，达到了对扩展频谱的目的。Tb (a) d(t) +1 -1 干扰信号 功率频谱 e白限热噪声电平 干扰电平 A有用信号 解扩后的有用信号信息带宽B 图2-3直扩系统抗宽带干扰的示意图 +1 -1s(t)=Ad(t)c(t)cos2pf0t+j(t)(d) s(t) (b) c(t) +1 -1 (c) d(t)c(t) +1 -1 A -A Td Tb 图3.3 理想扩展频谱系统波形示意图3.3 多径干扰多径干扰是一种在通信中，特别是在移动通信中最常见的且影响很严重的干扰，它属于乘性干扰。抗多径干扰
37、的方法很多，扩频技术就是其中的一种。3.3.1 多径干扰的概念多径干扰是由于电波在传播过程中遇到各种反射体（如电离层、对流层、高山和建筑物等）引起的反射或散射，在接收端收到的直接路径信号与反射路径信号产生的群反射信号之间的随机干涉形成的。多径的形成与电台所处的环境、地形、地物等有关。多径干扰信号的频率选择性衰落和路径差引起的传播时延，可使信号产生严重的失真和波形展宽并导致信息波形重叠。这不但能引起噪声增加和误码率上升，使通信质量降低，而且可能使某些通信系统无法工作。下面分析多径传输对接收的影响。设发射信号为，则经过几条路径传播后的接收信号可表示为： （3-1） 式中，、分别为第i条路径的接收信
38、号的振幅、传播时延、附加相位，。大量观察表明，与随时间的变化与发射载频的周期相比通常要缓慢的多。因此，上式可以改写为 （3-2）其中： （3-3） （3-4） （3-5） （3-6）由于与可认为是缓慢变化的随机过程，因此U（t）与以及与均是缓慢变化的随机过程，r（t）为一窄带过程。由式3-2可知：（1）从波形看，多径传播的结果使单一频率的确知信号变成了包络和相位受到调制的信号，这样的信号称为衰落信号；（2）从频谱上看，多径引起了频率弥散，即由单个频率变成了一个窄带频率。一般情况下，U（t）即振幅服从瑞利分布，即相位服从均匀分布，则可将r（t）看成窄带高斯过程。多径传播造成了衰落及频率弥散，同时
39、还可能发生频率选择性衰落。3.3.2直扩系统的抗干扰性直扩系统最早应用是在军事通信中作为很强抗干扰性的通信手段。直扩系统对窄带干扰、宽带干扰等，都具有抗干扰能力，其抗干扰能力大小就是前面提出的扩频处理增益，越大，抗干扰能力就越强。下面就来分析直扩系统抗宽带干扰和抗窄带干扰的原理。图3-4为直扩系统抗宽带干扰的示意图。这里的宽带干扰是泛指的与扩频信号不相关的，在CDMA通信网中，其它用户的信号就是一种宽带干扰。相关处理前，信号频谱是很宽的，经相关处理后，有用信息被解扩，其功率谱集中于信息带宽内，而宽带干扰通过相关器，其功率谱密度基本不变。由于解扩后必然连接窄带滤波器，保证信号能顺利通过，对信号频
40、带之外的各种干扰起到很大的抑制作用，从而提高了输出的信噪比。解扩后的有用信号信息带宽BA有用信号干扰电平白限热噪声电平功率频谱干扰信号 图3-4直扩系统抗宽带干扰的示意图(a)接收机输入的信号及干扰的功率谱 (b)相关器输出的信号及干扰的功率谱(b)解扩后的功率谱对单频或窄带干扰，直扩系统有很强的抗干扰能力。图3-5(a)为解扩前的功率谱，窄带干扰功率很大，由于干扰与本地扩频码(PN码)是不相关的。对干扰来说，相关器起到扩展频谱的目的，功率谱密度就大大下降，其中对信号有害的干扰分量只A A解扩后的有用信号干扰被扩展频谱有用信号窄带干扰信号 (a)未解扩的功率谱（b）解扩后的功率谱图3-5直扩系
41、统抗窄带干扰示意图有落入信息带宽部分，从而抑制了大部分干扰。由于有用信号能顺利通过窄带滤波器，因此提高了输出的信噪比。3.3.3直扩系统的抗截获性截获敌方信号的目的在于： (1)发现敌方信号的存在， (2)确定敌方信号的频率， (3)确定敌方发射机的方向。 理论分析表明，信号的检测概率与信号能量与噪声功率谱密度之比成正比，与信号的频带宽度成反比。直扩信号正好具有这两方面的优势，它的功率谱密度很低，单位时间内的能量就很小，同时它的频带很宽。因此，它具有很强的抗截获性。如果满足直扩信号在接收机输入端的功率低于或与外来噪声及接收机本身的热噪声功率相比拟的条件、则一般接收机发现不了直扩信号的存在。另外
42、，由于直扩信号的宽频带特性，截获时需要在很宽的频率范围进行搜索和监测，也是困难之一。因此，直扩信号可以用来进行隐藏通信。至于如何发现敌方直扩信号的存在，和弄清楚其参数，即直扩信号的检测与估值问题。3.3.4直扩码分多址通信系统多址通信系统指的是许多用户组成的一个通信网，网中任何两个用户都可以通信，而且许多对用户同时通信时互不不扰。应用直扩系统就很容易组成这样一个多址通信系统(网)。具体的做法是给每一个用户分配一个PN码作为地址码。首先，利用直扩信号中PN码的相关特性来区分不同的用户，每个用户只能收到其他用户按其地址码发来的信号，此时自相关特性出现峰值，可以判别出是有用信号。对于其他用户发来的别
43、的信号，因PN码不同时互相关值很小，不会被解扩出来。其次，利用直扩信号中频谱扩展，功率谱密度很低的特性，可以有许多用户共用同一宽频带。此时相互之间干扰很小，可以当作噪声处理。另外，每个用户占用的频宽很窄，相对说来，频谱利用率也是高的8。实现直扩码分多址通信值得注意的问题有： 1、是要选择有优良互相关特性的码。 一般多采用有二值或三值相关特性的码作为地址码。同时还需要有一定的数量。Gold码就可以作为地址码来用，它既有较优良的相关特性，也有足够的数量可供选。 2、是要注意克服“远近”问题。 所谓“远一近”问题指的是距离近的用户的信号强，它会干扰距离远的弱信号的接收。解决的办法是采用自动功率控制，自动调节各用户的发射功率，使达到接收机时各用户信号功率基本相等，也就是满足接收机输入端等功率的条件，才能正确地区分有用信号。 3、是同时通话的用户数，决定于整个网内的噪声水平。 因此，直扩码分多址系统是一种噪声受限的系统。随着用户数的增加，通信质量逐渐变坏。3.3.5 直扩系统的抗